STE SEÇÃO TÉCNICA ESPECIAL DE INTERFERÊNCIAS, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E QUALIDADE DE ENERGIA

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1 SCQ/2 21 a 26 de Outubro de 21 Campinas - São Paulo - Brasil STE SEÇÃO TÉCNICA ESPECIAL DE INTERFERÊNCIAS, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA E QUALIDADE DE ENERGIA A INFLUÊNCIA DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NA QUALIDADE DA ENERGIA OFERECIDA AOS CONSUMIDORES Alberto R. De Conti (*) Clever Pereira Silvério Visacro F. UFMG José Vicente Pereira Duarte CEMIG LRC Núcleo de Desenvolvimento Científico e Tecnológico em Descargas Atmosféricas RESUMO Neste trabalho os autores realizam uma pesquisa básica, que pretende avaliar o papel de diversas variáveis no desenvolvimento dos surtos transferidos da média para a baixa tensão das redes de distribuição, na perspectiva da definição de práticas de proteção adequadas à preservação da qualidade da energia fornecida aos consumidores. As correspondentes avaliações são realizadas através de simulações computacionais de configurações representativas da rede elétrica, simplificadas o suficiente para denotarem a importância dos diversos parâmetros envolvidos (aterramento, pára-raios, extensão de linha, etc.) nas análises de sensibilidade implementadas. PALAVRAS-CHAVE Surtos Atmosféricos em Unidades Consumidoras. Tensões Transferidas. Sobretensões na Rede de Baixa Tensão. 1. INTRODUÇÃO As descargas atmosféricas correspondem à principal causa de interrupções e desligamentos nas redes de energia elétrica no Brasil, implicando conseqüências muitas vezes nefastas para equipamentos e consumidores a elas conectados. Os atuais requisitos de qualidade impostos pelas agências reguladoras de energia elétrica no Brasil determinam a necessidade de definição de práticas mais evoluídas de proteção da rede elétrica contra os surtos atmosféricos. A definição do papel preciso dos diversos componentes do sistema no processo de disseminação dos surtos nas redes e no seu efeito sobre as instalações dos consumidores é uma tarefa de difícil execução. Usualmente, os trabalhos dedicados a este assunto utilizam modelos complexos e por demais abrangentes, o que impossibilita, na maioria das vezes, a percepção da influência direta de cada um dos parâmetros envolvidos. O presente trabalho estende os desenvolvimentos iniciados em investigação anterior (1) a uma configuração de rede de baixa tensão trifásica, apresentando avaliações preliminares sobre o comportamento das variáveis que influenciam a intensidade e a forma das sobretensões de origem atmosférica nas unidades consumidoras. Para tal, assume-se uma configuração de rede simplificada, na qual seja possível a determinação do papel de cada variável envolvida. A investigação se processa no contexto de um projeto cooperativo empresauniversidade. 2. SOBRETENSÕES DE ORIGEM ATMOSFÉRICA EM INSTALAÇÕES CONSUMIDORAS As sobretensões de origem atmosférica atingindo as unidades consumidoras podem se originar de três mecanismos básicos: as descargas diretas e as tensões induzidas na baixa tensão, a transferência de surtos originados na média tensão através do transformador de distribuição e a incidência de descargas diretamente sobre edificações. Com relação às descargas diretas, estas podem ocorrer sobre as redes de média e baixa tensão (figura 1-a), bem como sobre o sistema de proteção contra descargas atmosféricas de edificações (figura 1-d). De uma forma geral, redes de média tensão instaladas em LRC - Lightning Research Center CPDEE - UFMG - Av. Antônio Carlos Pampulha - CEP

2 áreas rurais ou em regiões periféricas de cidades tendem a ser mais vulneráveis à ocorrência de descargas diretas, ao contrário daquelas instaladas em áreas urbanas, em decorrência da existência de edificações elevadas. Os fenômenos associados à incidência de descargas diretas em redes de distribuição possuem elevada severidade, provocando diversos danos no sistema. As redes de baixa tensão possuem menor probabilidade de serem atingidas diretamente por descargas, já que estão usualmente posicionadas abaixo das redes de média tensão. Deve-se ressaltar, entretanto, que em alguns finais de rede as instalações de baixa tensão podem se estender sem a presença da rede de média tensão, havendo aí algum risco de ocorrência do fenômeno em questão. O mesmo pode ocorrer na existência de longos ramais de ligação, especialmente em condições de maior exposição. a c a b d definição de práticas adequadas aos consumidores e às redes de baixa tensão. 3. SOBRETENSÕES ORIGINADAS NA MÉDIA TENSÃO E TRANSFERIDAS PARA A REDE DE BAIXA TENSÃO ATRAVÉS DO TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO A transferência de sobretensões da média para a baixa tensão junto ao transformador de distribuição é composta por dois processos fundamentais. O primeiro corresponde ao acoplamento direto entre os dois circuitos através dos enrolamentos do transformador, o que ocorre predominantemente através de capacitâncias parasitas inerentes à constituição física deste equipamento. O segundo está associado ao fluxo de uma parcela da corrente drenada pelo páraraios de média tensão para a rede de baixa tensão, em função da impedância do aterramento do transformador de distribuição. Não são apresentados de forma clara na literatura resultados que possibilitem a identificação da ordem de grandeza de cada um dos processos envolvidos, o que muitas vezes impede uma análise precisa sobre a importância relativa de cada um no desenvolvimento dos surtos nas redes de baixa tensão. 4.. DESENVOLVIMENTOS 4.1. MODELOS UTILIZADOS Figura 1 Acoplamento das descargas atmosféricas com as redes de distribuição Sobretensões induzidas ocorrem de forma indistinta nas redes de média e baixa tensão, caso descargas ocorram em regiões relativamente próximas a ambas (figura 1-b). A intensidade dos fenômenos associados a este tipo de ocorrência é bem menor que aquela das descargas diretas, mas sua freqüência de ocorrência o tornam um elemento crítico ao desempenho das redes de distribuição (2). A ocorrência de descargas atmosféricas atingindo diretamente o SPDA (Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas) dos consumidores (figura1-d) também pode gerar solicitações na rede de baixa tensão da concessionária. Este fenômeno pode ser especialmente importante quando o aterramento do SPDA é comum com o aterramento da entrada de serviço do consumidor, merecendo, entretanto, uma melhor caracterização por parte da literatura. A disseminação de um surto na média tensão, gerado por uma descarga direta ou indireta, pode se estender até a rede de baixa tensão através do transformador de distribuição (figura 1-c). A intensidade e a forma das solicitações associadas a este processo são dependentes de inúmeros fatores, e o seu grau de severidade pode alcançar níveis críticos, tanto do ponto de vista dos equipamentos instalados na rede de baixa tensão quanto dos consumidores a ela conectados. O presente artigo dedica-se ao estudo deste fenômeno, identificando os papéis de diversas variáveis envolvidas neste processo, tendo em vista a A fim de se avaliar o papel dos diversos componentes das redes de baixa tensão no desenvolvimento das solicitações às quais as cargas dos consumidores podem estar submetidas, foi implementado o circuito da figura 2, que representa simplificadamente uma terminação de rede de distribuição, em que a baixa tensão esteja instalada sem a presença da média tensão sobre si. Foi utilizado um modelo de transformador trifásico (3), com configuração triângulo/estrela aterrada, alimentando a rede de baixa tensão. A corrente foi injetada em apenas uma das fases do primário, podendo supor tanto a incidência de uma descarga direta junto às buchas do transformador quanto a indução de uma sobretensão em um ponto distante do analisado, conduzida através da média tensão até o transformador de distribuição. A distinção a ser feita entre ambos fenômenos concerne às amplitudes e aos tempos característicos das solicitações associadas. Não foi considerada a ocorrência de rupturas nos isolamentos do sistema O acoplamento entre a fase atingida, representada por Z linha = 4 Ω, e as demais fases da média tensão, assim como o existente entre as redes de média e baixa tensão, não foi considerado. A rede secundária simulada é do tipo convencional, com espaçamento médio entre os condutores de 2 cm. O mais alto, correspondente ao cabo neutro, está elevado a 7,25 m de altura do solo. O pára-raios de média tensão, conectado entre fase e terra no primário do transformador, é do tipo ZnO. Sua corrente nominal é

3 de 1 ka, com uma tensão residual de aproximadamente 34 kv. Z linha I injetada Pára-Raios L descida R trafo Transformador Figura 2 Circuito Simulado RBT Cargas R consumidor C2 C3 C1 Foram conectadas cargas diversas, que procuraram representar de forma concentrada a existência de vários consumidores instalados na rede de baixa tensão. R trafo e R consumidor representam de forma simplificada as impedâncias de aterramento do transformador de distribuição e dos consumidores, respectivamente. L descida representa a indutância do condutor de descida que conecta o terminal de terra do pára-raios, o tanque do transformador e o neutro do secundário ao aterramento do transformador. Atribuiuse um valor aproximado de 1 µh/m para este parâmetro ORDEM DE GRANDEZA DAS PARCELAS ASSOCIADAS À TRANSFERÊNCIA DE SURTOS DA MÉDIA PARA A BAIXA TENSÃO Com o intuito de avaliar-se a relevância das parcelas constituintes dos surtos nas redes de baixa tensão originados na média tensão, foram realizadas simulações preliminares, em que os parâmetros R trafo e L descida foram anulados. Dessa forma, toda corrente drenada pelo pára-raios de média tensão na ocorrência de uma solicitação é canalizada para o aterramento do transformador, não exercendo qualquer influência sobre o circuito secundário. Este fica submetido apenas à sobretensão proveniente da parcela de transferência direta, com predominância capacitiva, que ocorre internamente ao transformador. Em seguida, atribuiu-se à resistência de aterramento do transformador um valor de 8 Ω, interligada ao tanque do transformador pela representação do condutor de descida. Nesse caso, a solicitação resultante na rede de baixa tensão é composta por duas parcelas: uma correspondente à transferência direta e outra associada à circulação de correntes no circuito de baixa tensão que não foram captadas pelo aterramento do transformador de distribuição. Foi injetada uma corrente de 1 ka (5/6 µs), cujos tempos são representativos de descargas diretas, de acordo com estatísticas provenientes dos dados do Morro do Cachimbo (4), e cuja amplitude pode ser representativa do limite superior de correntes geradas por sobretensões induzidas. A figura 3 ilustra a tensão obtida em uma carga resistiva de 3 Ω conectada entre fase e neutro do secundário do transformador através de 3 m de rede de baixa tensão Fenômeno Completo 2 Transferência Direta Figura 3 Sobretensão entre fase e neutro na carga conectada à fase 3 no final da RBT, com a injeção de 1 ka (5/6 µs), comprimento da rede de baixa tensão igual a 3 m. A parcela correspondente à transferência direta apresenta pulsos de curta duração e baixa amplitude. Sua influência na solicitação total, considerando-se a transferência direta e a parcela devido à elevação de potencial no aterramento do consumidor, pode ser sentida nos instantes iniciais do surto, mas não é relevante em termos do valor máximo apresentado. A curva mais clara, apresentada na figura 3, indica a diferença entre a solicitação completa e a sobretensão atribuída à transferência direta, correspondendo exclusivamente à circulação no circuito de baixa tensão de uma parcela de corrente que não foi drenada pelo aterramento transformador de distribuição. Essa parcela é responsável pela quase totalidade da energia transferida ao circuito de baixa tensão. A figura 4 apresenta a injeção no circuito de uma onda de 1 ka (5/6 µs), com tempos e amplitude representativos de uma descarga direta. Percebe-se que a parcela de sobretensão associada à transferência direta é mantida praticamente constante em relação à verificada com a injeção de 1 ka no circuito, o que ocorre devido à eficiência do pára-raios de média tensão em limitar a tensão entre fase e terra no primário. Esta ação é estendida à sobretensão transferida, que mantém-se restrita a uma pequena faixa de valores mesmo com o aumento da corrente injetada. Por outro lado, com o aumento da corrente drenada pelo pára-raios, torna-se maior a importância da elevação de potencial na formação das sobretensões na rede de baixa tensão, havendo um crescimento linear dos valores máximos apresentados em relação à injeção de 1 ka. Considerando-se que as correntes associadas a descargas diretas possuem ordem de grandeza elevada, com valores medianos da ordem de 45 ka verificados no Morro do Cachimbo, é possível desprezar-se o efeito da transferência direta no cálculo das sobretensões na rede de baixa tensão associadas à incidência de descargas diretas na rede de média tensão. Dessa forma, o papel do aterramento do transformador de distribuição ganha grande importância no processo de desenvolvimento dos surtos transferidos, devendo ser mais bem avaliado em conjunção com os demais parâmetros do circuito.

4 14E+3 12E+3 1E+3 8E+3 6E+3 4E+3 Fenômeno Completo 2E+3 Transferência Direta E+ -2E Figura 4 Sobretensão entre fase e neutro na carga conectada à fase 3 no final da RBT, com a injeção de 1 ka (5/6 µs), comprimento da rede de baixa tensão igual a 3 m ANÁLISE DE SENSIBILIDADE SOBRE OS DIVERSOS PARÂMETROS ENVOLVIDOS NA DISSEMINAÇÃO DAS TENSÕES TRANSFERIDAS NAS REDES DE BAIXA TENSÃO A fim de se parametrizar o comportamento das diversas variáveis do circuito no desenvolvimento das sobretensões nas redes de baixa tensão, realizaramse diversas simulações através do circuito da figura 2. Os itens a seguir contemplam alguns dois principais aspectos observados COMPRIMENTO DA REDE DE BAIXA TENSÃO A figura 5 ilustra o efeito da variação do comprimento da rede de baixa tensão na sobretensão entre fase e neutro verificada na carga instalada na fase 3, instalada no final da rede de baixa tensão e representando um conjunto de instalações consumidoras. Verifica-se o aumento da sobretensão com o aumento do comprimento da rede. Tensão (V/kA) 3E+3 2E+3 1E+3 E+ -1E L = 75 m L = 6 m L = 45 m L = 3 m L = 15 m Figura 5 Sobretensões entre fase e neutro no consumidor conectado à fase 3 no final da RBT. Injeção de 1kA (5/6 µs), Aterramentos = 8 Ω. Graças ao princípio de linearidade verificado para a parcela de transferência devido à elevação de potencial, a mais significativa no fenômeno, é possível se estimar com bastante segurança as sobretensões às quais as cargas estariam submetidas para a injeção de correntes mais elevadas. Foram consideradas cargas resistivas de 3 Ω, que em regime permanente representariam uma carga de alguns quilowatts, correspondente ao consumo instantâneo de aproximadamente 1 residências. A representação das cargas conectadas às redes de baixa tensão em regimes de transientes rápidos ainda não foi devidamente realizada na literatura CONFIGURAÇÃO DA REDE DE BAIXA TENSÃO A figura 6 ilustra a sobretensão nas cargas resistivas de 3 Ω conectadas à rede de baixa tensão, simulada com uma extensão de 3 m. Para a rede convencional, em que os condutores são verticalmente espaçados com distâncias de 2 cm entre si, a menor sobretensão é verificada na fase mais próxima ao condutor neutro, sempre o mais elevado em relação ao solo. Isso ocorre devido ao maior acoplamento entre ambos. Considerando-se uma rede multiplexada, em que as fases são entrelaçadas ao redor do condutor neutro, o acoplamento mútuo existente é praticamente idêntico em todos. Assim, as sobretensões desenvolvidas nas cargas instaladas são praticamente idênticas, exceto nos instantes iniciais, onde há uma forte influência da tensão transferida diretamente da média para a baixa tensão em uma das fases, correspondente àquela atingida na média tensão. Este efeito é sentido devido às baixas tensões desenvolvidas no secundário graças à elevação de potencial no aterramento do transformador, associada à injeção de uma corrente de pequena amplitude (1 ka 5/6 µs). Para a injeção de correntes cujas amplitudes sejam representativas de descargas diretas, espera-se que o efeito da transferência direta com predominância capacitiva através do transformador possa ser ignorado RBT Convencional: Fase3 Fase2 Fase RBT Multiplexada Figura 6 Sobretensões entre fase e neutro nos consumidores (3 Ω). Injeção de 1kA (5/6 µs), Aterramentos = 8 Ω Percebe-se que o uso de redes multiplexadas na baixa tensão é uma prática extremamente favorável à prevenção das sobretensões nas redes de baixa tensão, reduzindo em mais da metade os valores obtidos no uso da rede convencional para este caso. A figura 7 ilustra o valor das tensões entre e fase e neutro desenvolvidas no secundário do transformador de distribuição. As curvas mais claras foram obtidas para a rede convencional, e as mais escuras, para a rede multiplexada. Nota-se que o uso das redes multiplexadas é benéfico também do ponto de vista do transformador, promovendo reduções sensíveis nos valores das sobretensões desenvolvidas nos enrolamentos de secundário. Os valores negativos são

5 explicados pela circulação da maior parcela da corrente na direção do aterramento do transformador para as fases, sendo a tensão medida entre fase e neutro (comum com o terra). O efeito da transferência direta é sentido apenas pela fase 1, o que pode ser verificado pelo rápido pico positivo no instante inicial do surto. É importante frisar que a maior parcela da sobretensão verificada provém da corrente não absorvida pelo aterramento do transformador de distribuição. Assim, o seu crescimento será linear com o aumento desta corrente, sendo esperadas sobretensões elevadas quando da consideração de amplitudes representativas de descargas diretas Rede Multiplexada Rede Convencional Tempo(µs) Figura 7 Sobretensões entre fase e neutro no secundário do transformador. Injeção de 1kA (5/6µs), Aterramentos = 8 Ω, Consumidores = 3 Ω TEMPOS CARACTERÍSTICOS DAS CORRENTES DRENADAS PELO PÁRA-RAIOS As sobretensões na rede de baixa tensão variam sensivelmente com o tempo de frente das correntes injetadas, conforme indica a tabela a seguir. Tempos de frente mais lentos causam menores sobretensões na rede de baixa tensão, porque provocam uma melhor atuação do aterramento do transformador de distribuição nos instantes iniciais da solicitação. Quanto maior o valor da resistência de aterramento do transformador, menos sensível a redução da sobretensão nas cargas com o aumento do tempo de frente da corrente injetada. Tabela 1 Sobretensões nos consumidores (3Ω). RBT convencional de 3 m e aterramentos de 8Ω. I injetada = 1 ka (5/6 µs). Cargas Secundário do trafo Fase 1.2/6 µs 5/6 µs 1/6 µs kv 1.3 kv 1. kv 2 2. kv 1.4 kv 1.2 kv kv 1.6 kv 1.3 kv kv -4.9 kv -3, kv kv -4.8 kv -2.5 kv kv -5.1 kv -2.5 kv Observa-se, pela tabela 1, que a tensão no secundário do transformador na fase 1 torna-se proporcionalmente maior que as demais com o aumento do tempo de frente. Isto ocorre porque, no caso de injeção de 1 ka, a parcela da sobretensão no secundário devido à elevação de potencial reduz-se de forma mais acentuada que a sobretensão transferida diretamente, fazendo com que a última prevaleça nos instantes iniciais do surto na baixa tensão, quando se verificam os valores máximos da solicitação no secundário do transformador ATERRAMENTO A tabela 2 resume o efeito da variação das resistências de aterramento do circuito nas sobretensões nas cargas. Tabela 2 Sobretensões (kv) em consumidor (3 Ω) conectado à fase 3 ao final de uma rede de baixa tensão convencional de 3 m. I injetada = 1 ka (5/6 µs). R R consumidor (Ω) Trafo (Ω) Os casos mais desfavoráveis às cargas conectadas à baixa tensão são aqueles correspondentes a elevadas resistências de aterramento no transformador de distribuição e a baixas resistências de aterramento junto às cargas. Nesses casos, a parcela da corrente drenada pelo pára-raios do primário que flui pelo aterramento do transformador é relativamente reduzida, seguindo uma corrente significativa pelo neutro da rede de baixa tensão. A diferença de potencial nele desenvolvida é aplicada diretamente sobre o circuito que inclui a impedância de secundário do transformador de distribuição, a rede de baixa tensão e a carga conectada, o que promove o aumento da tensão nas cargas conectadas. Por outro lado, uma baixa resistência de aterramento no transformador pode reduzir sensivelmente o valor da sobretensões nas cargas, especialmente se estas forem conectadas à terra com valores de aterramento de maior grandeza. Deve ser observado que a perfeita coordenação do aterramento pode não ser suficiente para garantir sobretensões em níveis suficientemente baixos nas redes de baixa tensão na condição de descargas diretas na rede de média tensão, visto que foram injetadas correntes com 1 ka de amplitude. Assim, é recomendável uma investigação sobre técnicas alternativas de proteção da rede de baixa tensão, como o uso de pára-raios USO DE PÁRA-RAIOS NA BAIXA TENSÃO A aplicação de pára-raios na rede de baixa tensão junto ao secundário do transformador de distribuição limita a sobretensão neste ponto em valores que

6 asseguram a integridade deste equipamento (figura 8). Do ponto de vista da rede de baixa tensão, entretanto, sua ação consiste em reduzir a impedância equivalente do circuito que engloba o secundário do transformador, as fases da rede de baixa tensão e as cargas conectadas, podendo promover, quando posicionado junto ao secundário do transformador, o aumento da corrente que circula na fase protegida. Isto pode ser vista na figura 9. 1E+3 E+ -1E E+3-3E+3-4E+3-5E+3-6E+3 Tempo(µs) Com Pára-raios Sem Pára-raios Figura 8 - Tensão entre fase neutro no secundário do transformador de distribuição junto à fase 3, para a injeção de 1kA (5/6 µs), R trafo=8 Ω, R consumidor=4 Ω, Consumidores=1Ω. 14E+3 12E+3 1E+3 8E+3 6E+3 4E+3 2E+3 Carga infinita Carga = 8 ohms Carga = 3 ohms Carga = 1 ohms...sem P.R. Com P.R. E+ -2E Tempo (µs) Figura 9 - Tensão entre fase neutro na carga conectada à fase 3, para a injeção de 1 ka (5/6 µs), R trafo=8 Ω, R consumidor=4 Ω, carga representando os consumidores variável. 5.. CONCLUSÕES A definição de práticas adequadas de aterramento pode ser uma importante ferramenta na prevenção das sobretensões nas redes de baixa tensão. Sua ação, entretanto, pode não garantir níveis de solicitações que sejam suficientemente baixos para os consumidores conectados; O uso de pára-raios na baixa tensão é eficiente ao proteger o secundário dos transformadores de distribuição quando ali instalados, devendo ser avaliados com mais atenção, entretanto, os efeitos de sua ação do ponto de vista das cargas instaladas no circuito. A pesquisa prossegue, buscando uma representação cada vez mais elaborada dos elementos presentes nas redes de baixa tensão. Pretende-se avaliar de forma mais abrangente a aplicação dos pára-raios na baixa tensão, buscando-se, de forma conjunta à adoção de práticas de aterramento adequadas, a manutenção de níveis de sobretensões que garantam o fornecimento de uma energia de qualidade aos consumidores. 6. REFERÊNCIAS (1) DE CONTI A.R., VISACRO S.F., PEREIRA C., DUARTE J.V.P.; Qualidade de Energia: Práticas de Proteção dos Consumidores. Anais do IX Erlac, Maio de 21. (2) NUCCI, C. A., RACHIDI, F. ; Lightning-Induced Overvoltages; IEEE Transmission and Distribution Conference, Panel Session Distribution Lightning Protection, New Orleans, April 14, (3) BASSI W., PIANTINI A.; Voltages and Currents on Secondary Lines Caused By Direct Lightning Hits On Medium Voltage Lines; Proceedings of GROUND`2, Belo Horizonte - Brazil, June 18-21, 2. (4) VISACRO S.F. et alli, Descargas Atmosféricas: Uma Abordagem de Engenharia, livro, Belo Horizonte, Brasil, 21. Com base nos desenvolvimentos realizados, pode-se concluir que: Considerando-se as amplitudes e tempos característicos das descargas diretas e a presença do pára-raios de média tensão, a transferência de surtos da média para a baixa tensão pode ser representada apenas pela elevação de potencial no aterramento do transformador, podendo a parcela de transferência direta ser desprezada. Os diversos parâmetros envolvidos nas redes de baixa tensão podem alterar sensivelmente os valores das sobretensões verificadas nas cargas conectadas.